化學老師想辭職!這張元素周期表,你一定背不下來

2021-02-25 共青團中央

來源：微信公眾號「科研圈」（ID：keyanquan）作者：Mark Lorch （英國赫爾大學（University of Hull）科學傳播與化學教授）

接下來是美術老師代課時間。


西奧多·本菲的螺旋周期表（1964）| 圖片來源：DePiep/Wikipedia

元素周期表幾乎出現在每個化學實驗室的牆上。它的創建通常歸功於俄國化學家迪米特裡·門捷列夫（Dimitri Mendeleev），1869 年，他將當時已知的 63 種元素寫在卡片上，並根據化學和物理性質將它們進行排列。為了慶祝科學上這個重要時刻的 150 周年，聯合國宣布將 2019 年定為國際化學元素周期表年。

但門捷列夫並不是第一個嘗試給各種化學元素排序的人。在他之前幾十年，化學家約翰·道爾頓（John Dalton）曾試圖為這些元素創造一張表格和一些很有趣的符號，但它們沒能流傳開來。而就在門捷列夫創建周期表的幾年前，約翰·紐蘭茲（John Newlands）也創建了一張根據元素屬性對其進行分類的表格。


約翰·道爾頓的元素列表。| 圖片來源：Wikimedia Commons

門捷列夫的天才之處體現在他為元素周期表留出的空白之中。他意識到某些元素是缺失的，還有待被發現。道爾頓、紐蘭茲和其他人只是將已知的元素進行排列，只有門捷列夫為未知元素留出了空間。更令人驚訝的是，他準確地預測了缺失元素的性質。


門捷列夫的元素周期表中含有缺失的元素。| 圖片來源：Wikimedia Commons

注意到上面表格中的問號了嗎？例如，在鋁（Al）的右側有留給某種未知金屬的位置，門捷列夫預言它的相對原子質量為 68，密度為 6 g/cm3，熔點很低。六年後，保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭（Paul Émile Lecoq de Boisbaudran）分離出了鎵（Ga），完美填補了這一空缺——它的相對原子質量為 69.7，密度為 5.9 g/cm，熔點很低，甚至能在人的手裡熔化成液體。門捷列夫也對鈧（Sc）、鍺（Ge）和鎝（Tc）作出了同樣的猜測，但直到 1937 年人們才發現了鎝，那時他已經去世 30 年了。

乍一看，門捷列夫的表與我們所熟悉的元素周期表不太一樣。一方面，現代周期表上有一系列被門捷列夫忽略的元素（並且他沒有給它們預留空間），最明顯的是惰性氣體（如氦、氖、氬）。此外，這張表的排列方式也與現代版本不同，我們現在將元素排成列，然後按行排列。


現代元素周期表 | 圖片來源：Wikimedia Commons

但是，一旦把門捷列夫的表旋轉 90 度，它與現代版本的相似之處就顯而易見了。例如，滷族元素——氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）和碘（I）（門捷列夫表格中的符號 J）相繼出現。如今，它們被排列在元素周期表的第 17 列（化學家們更喜歡稱其為第 17 族，也就是我們所說的第七主族 VIIA）。

從門捷列夫的周期表到今天我們所熟悉的元素周期表之間，看起來只需要一個小小的改動。但是，在門捷列夫論文發表後的多年裡，人們對元素的其他排列和分布進行了大量實驗。在將門捷列夫的表格進行 90 度旋轉，並保留這種形式之前，人們還嘗試過一些古怪而奇妙的扭轉方式。


（a）海因裡希·鮑姆豪爾的螺線形元素周期表；

（b）1915 年阿洛瓦斯·比列基（Alois Bilecki）提出的螺旋形元素周期表；

（c）亨利·巴塞特的「啞鈴」設計。

圖片來源：http://www.chem.msu.ru/eng/misc/mendeleev/hyper/ 

海因裡希·鮑姆豪爾（Heinrich Baumhauer）的螺旋結構就是一個特別引人注目的例子，它發表於 1870 年，以氫元素為中心，元素按照相對原子質量遞增的順序呈螺線形排布。落在每個輪輻上的元素具有相同的屬性，就像今天元素周期表中同一族的元素一樣（見上圖 a）。還有亨利·巴塞特（Henry Basset）在 1892 年提出的相當奇怪的「啞鈴」構想（見上圖 c）。

到了 20 世紀初，這張表格就定型成了我們今天所熟悉的水平布局，與 1905 年海因裡希·維爾納（Heinrich Werner）設計的現代版本相似，稀有氣體第一次以如今我們熟悉的位置出現在表格的最右邊。維爾納還借鑑門捷列夫的做法，在表格中留下了空白，不過他猜得有些過頭了。他認為存在一些比氫更輕的元素，同時氫和氦之間還有另一種元素（這兩條猜測都不成立）。


海因裡希·維爾納設計的元素周期表| 圖片來源：American Chemical Society.

儘管這張表格看起來已經很現代了，但它仍然需要一些重新排列。特別有影響力的是查爾斯·詹內特（Charles Janet）的版本。他採用物理學家的方法，利用新發現的量子理論，創建了一個基於電子構型的布局。由此產生的左階元素周期表仍然受到許多物理學家的青睞。有趣的是，詹內特把未知元素一直排到了 120 號，儘管當時已知的元素只有 92 個（如今我們知道的也只有 118 個）。


查爾斯·詹內特的左階元素周期表。| 圖片來源：Wikipedia, CC BY-SA

現代元素周期表實際上是詹內特版本的直接演變。鹼金屬（以鋰為首的第一主族元素）和鹼土金屬（以鈹為首的第二主族元素）從最右邊被移到了最左邊，形成了一個非常寬的元素周期表。這種布局的問題是它不能很好地適應頁面或海報，所以出於美觀的考慮，f 區元素（也就是鑭系和錒系元素）通常被裁剪下來放到主表下面。元素周期表就是這樣演變成今天所熟知的樣式的。

不過，人們並沒有停止修改周期表的布局，通常是為了強調傳統表格並未體現的元素之間的相關性。元素周期表已經有數百種不同的版本（可以在 Mark Leach 的資料庫中查看），其中螺旋狀和 3D 版本尤為流行，更不要說許多搞笑的版本了。


3D 版門捷列夫花式周期表。| 圖片來源：Тимохова Ольга/Wikipedia, CC BY-SA

我將門捷列夫的表格和亨利·貝克（Henry Beck）的倫敦地鐵地圖這兩個標誌性的圖形融合在一起，效果如何？


本文作者設計的地鐵元素周期表。| 圖片由作者 Mark Lorch 提供

還有那些令人眼花繚亂的模仿，它們旨在為從啤酒到迪斯尼卡通形象的各種事物賦予一種科學感。所有這些都表明，元素周期表早已成為科學的標誌性符號。


65 種啤酒組成的「啤酒周期表」，按口味、酵母的類型等方式分類（可點擊圖片放大查看）。| 圖片來源：http://ecx.images-amazon.com/images/I/81CFIrGYpzL._SL1500_.jpg

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校 審 | 任曉蓉

編 輯 | 初欣蔚（中國中鐵團委）

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